热气动式微泵的热分析和优化设计.pdf

中国工程热物理学会 传热传质学 ‘ 学术会议论文 编号：()633l2 热气动式微泵的热分析和优化设计 ’ 薛辉1，王玮2，李志信’ 1．清华人学航天航宅学院传热与能源利用北京市t点实验审，．iL京100081 2．北京大学微屯子所，北京100871 ● 摘要 对热气动式微泉进行J，热分析，得到了泵产眶力与箍五皮场的关系。什对液滴型微PCR 芯片压力稳定和迅速降瓜的需要，在微泵中引入了热电制冷片．并得到其应该置于导热系数 较小的玻璃侧的结论。研究结果表明，控制热电制冷片温度为10℃，0．1S加热功率为O．5W， 0．9s加热功率为O．05W，可以实现迅速增压，保持稳定压力，较快降J丘的婴求． 关键词 热气动式微泵：微PCR芯片：热分析：热电制冷片：热优化， 1．引言 近年来随着微加工技术的发展，建立在微芯片基础上的微全分析系统成为分 析化学、临床医学、生物学的研究热点IlJ。样品液滴在-二个温度区之闸往复运动 以实现DNA扩增目的的液滴型PCR芯片12I就是其中的一种，液滴驱动是其中一 个重要的技术难题。目前用于微系统中液滴驱动的技术主要有两种，一种是机械 式的131，一种是非机械式的。机械式需要集成运动部件，提高了复杂度。可用于 液滴驱动的非机械式方法主要有电湿润14】、热毛细泵151和热气动式微泵16】。 电湿润和热毛细泉分别是通过电和热的方式改变蹙面和液滴之间表面张力 的大小，驱动液滴运动。电湿润方法的结构过于复杂，而且需要对液滴通屯，可 能会改变液滴性质：热毛细泵需要液滴两端有较大的温差，也改变了液滴性质。 2001年．Handique等报道了一种利用加热所产生的气-力压力商接驱动液滴的 方法【，为在芯片上集成气动驱动系统的研究提供了一个新思路。该系统的结构 如图1所示。液滴运动的微槽道一侧，另开一个气室，气室中加入了加热电阻丝， 通过加热气室内的气体使其膨胀做功驱动液滴运动。 丞 |l两～‘ 口 fVolu咿y∞ 图I热气动式微泉系统 ． 利用该原理制成的微泵系统不需要改，变液滴的性质，只足通过对气体加热。 1734 使其膨胀而驱使液滴运动。而且冈为其结构简单，小需要运动部件，因而有可能 将多个微泉集成加丁丁．一个芯片上，驱动液滴在通道内进行往复运动。 目前对热气动式微泉的形f究足建立在热力学分析基础上，假设腔内气体满足 理想气体状态方程且全场的温度和密度都是均匀的，由此分析得到的结果和实验 数据存在较大差别。实际条件下，加热微腔内的气体时，整个微腔以及与之相连 的微槽道内的气体的温度和密度都足非均匀的，这是一个典型的非稳态传热问题， 为保证液滴的准石『0定位和温度控制，需要对热气动式微泉进行系统的热分析。 本文首先对热气动式微泵进行了系统的热分析．得到了微泵产生的压力与温 度场之问的关系，并在此基础上针对液滴型微PCR芯片的需要对微泵的结构和加 热功率进行了一定的优化设计。 2．压力计算模型 在液滴型微PCR心II,门L巾，受微加工的限制，所研究的气腔高度小会超过Imm， 假设温差为100C。此时瑞利数也不会超过10，冈此白然对流的影响可以忽略不 讣。在所研究的腔体内，因为导热^．主导地位，没有流动或者流动的影响可以忽 略不计，因此可以合理的推断腕体内的压强足各处相等的，舀则就会有流动。 理想气体状态方程在局部是得到满足的，在气腔内某处有